礦井通風系統優化改造及通風機選型

賈小鵬

（山西朔州山陰蘭花口前煤業有限公司，山西 朔州 036900）

1 項目背景

通風系統能否正常持續運行是井下安全高效生產的關鍵影響因素[1-5]。口前煤礦通風方式為中央分列式。通風機的工作方式為機械抽出式。主斜井、副斜井進風，回風斜井回風，回風斜井已安裝2臺FBCDZ-8-No21B型礦用防爆對旋軸流式通風機，風機風量范圍為48～107 m3/s，負壓范圍為670～2 600 Pa，1臺工作，1臺備用。配套YBFe-355S2-8型隔爆電動機，額定功率132 kW，額定電壓380 V，額定轉速740 r/min。根據礦井采掘規劃，礦井布置“一采、一備、四個掘進工作面”時，經計算礦井總需風量為110 m3/s。目前主通風機額定風量為48～107 m3/s，不能滿足礦井生產的需要，須重新更換礦井主通風機。礦井現回風斜井斷面積為10.23 m2，總回風巷斷面積為12.28 m2。《煤礦安全規程》第一百三十六條規定主要進、回風巷道風速不得超過8 m/s。回風斜井作為礦井的一個安全出口，風速不得超過8 m/s。根據該礦現有的回風斜井和總回風巷斷面計算，回風斜井風速為10.75 m/s，總回風巷風速為8.96 m/s，風速超限，需進行井巷工程改造。

2 口前煤礦礦井通風現狀

口前煤礦礦井通風方式為中央分列式。通風機的工作方式為機械抽出式。主斜井、副斜井進風，回風斜井回風。

主斜井：傾角22°，斜長300.6 m，直墻半圓拱形斷面，凈寬3.5 m，凈高2.75 m，凈斷面積8.31 m2。

副斜井：傾角22°，斜長254.0 m，直墻半圓拱形斷面，凈寬3.8 m，凈高3.5 m，凈斷面積11.75 m2。

回風斜井：傾角21°，斜長273.0 m，直墻半圓拱形斷面，凈寬3.5 m，凈高3.3 m，凈斷面積10.23 m2。

回風斜井已安裝2臺FBCDZ-8-No21B型礦用防爆對旋軸流式通風機，風機風量范圍為48～107 m3/s，負壓范圍為670～2 600 Pa，1臺工作，1臺備用。配套YBFe-355S2-8型隔爆電動機，額定功率132 kW，額定電壓380 V，額定轉速740 r/min。

主斜井進風量26 m3/s，副斜井進風量57 m3/s，回風斜井排風量87 m3/s。回風斜井斷面較小，礦井通風阻力大。

綜采工作面采用“U”形通風方式，運輸順槽進風，回風順槽回風，掘進工作面采用壓入式通風，用局部通風設備向掘進工作面輸送空氣的通風方式，選用FBD-NO6/30防爆對旋局部通風機兩臺，一用一備。

3 通風系統優化改造及方案比較

本次設計通風方式為中央分列式不變，更換現有主通風機，增大通風能力。對回風斜井和總回風巷進行臥底，增加通風斷面，降低風速。本次通風系統改造分為地面與井下兩部分工程。地面工程為更換主通風機，井下工程為井巷工程改造，改造方案比較僅對井巷工程進行比較。

3.1 更換主通風機

本次設計對風井工業場地內原有兩臺主通風機進行更換，通風方式為中央分列式不變，更換現有主通風機，增大通風能力，礦井通風負壓及通風能力均得到有效改善。

設計選用2臺FBCDZ-8-№26B-2×355型對旋式軸流風機，一臺工作，一臺備用。風機風量范圍為100～170 m3/s，負壓范圍為2 050～5 080 Pa，1臺工作，1臺備用；配套YBF系列8極隔爆電動機，電壓10 kV，功率2×355 kW。

3.2 井巷工程改造

3.2.1 方案的提出

根據礦井采掘規劃，礦井布置“一采、一備、四個掘進工作面”時，經計算礦井總需風量為110 m3/s，礦井現回風斜井斷面積為10.23 m2，總回風巷斷面積為12.28 m2。總回風巷和回風斜井井筒斷面均不能滿足通風需求，風速將超過規定允許的最大風速，需要對回風斜井和總回風巷進行井巷工程改造。

回風斜井為半圓拱斷面，凈高3.3 m，凈寬3.5 m。設計對回風斜井進行臥底改造，增加通風斷面，臥底后仍為半圓拱斷面，凈寬仍為3.5 m，凈高變為5.3 m，臥底長度273 m。總回風巷斷面不足，設計對總回風巷進行臥底改造。

針對總回風巷改造本次設計提出兩個方案：

3.2.1.1 方案Ⅰ

啟封密閉一段北回風巷作為井田北部四采區的回風巷，總回風巷以北的回采面回風經回風順槽→回風大巷→北回風巷→總回風巷→回風斜井；總回風巷以南的回采面回風經回風順槽→回風大巷（采區回風巷）→總回風巷→回風斜井。本方案除啟封密閉北回風巷外還需對部分總回風巷進行改造。

1）總回風巷為半圓拱斷面，凈高3.5 m，凈寬4 m。設計對總回風巷進行臥底改造，增加通風斷面，臥底后仍為半圓拱斷面，凈寬仍為4 m，凈高變為4 m，臥底長度30 m。

2）在總回風巷北側，回風斜井南側，啟封密閉一段北回風巷，分擔部分總回風巷通風。該段北回風巷斷面與總回風巷相同，為半圓拱斷面，凈高3.5 m，凈寬4 m，長度130 m。啟封密閉后與總回風巷及回風大巷貫通。

3.2.1.2 方案Ⅱ

回采面回風經回風順槽→回風大巷（采區回風巷）→總回風巷→回風斜井。本方案只對總回風巷進行改造。

總回風巷為半圓拱斷面，凈高3.5 m，凈寬4 m。設計對總回風巷進行臥底改造，增加通風斷面，臥底后仍為半圓拱斷面，凈寬仍為4 m，凈高變為4 m，臥底長度170 m。

井巷工程改造前后對比見表1。

3.2.2 方案比選

1）通風系統改造井巷工程技術方面的比較，方案Ⅰ臥底工程量比方案Ⅱ少140 m，施工工期短，對生產影響相對較小。綜合比較方案Ⅰ優于方案Ⅱ。

表1 井巷工程改造前后對比表

2）通風系統改造井巷工程經濟方面的比較，方案Ⅰ總投資比方案Ⅱ投資節省68.64萬元。

綜合以上技術、經濟比較，方案Ⅰ臥底工程量比方案Ⅱ少140 m，施工工期短，對生產影響相對較小，且經濟上及其他方面也是合理的，故推薦方案Ⅰ作為本次設計的通風系統改造井巷工程方案。

4 通風機設備選型

根據《煤礦建設項目安全設施設計審查和竣工驗收規范》（AQ 1055—2018）第3.3.2.1條規定“進、出風井井口標高差在150 m以上或進、出風井井口標高相同但井深在400 m以上時，應計算礦井自然風壓，本次設計不考慮自然風壓，經計算礦井通風容易時期負壓為814.94 Pa，通風困難時期負壓為1 166.96 Pa，根據所需風量和負壓對通風機進行選型計算如下：

4.1 設計依據

礦井風量110 m3/s；通風容易時期負壓814.94 Pa；通風困難時期負壓1 166.96 Pa；風井井口海拔高度為風井標高+1 557.245 m。

4.2 通風設備選型計算

4.2.1 風機所需風量及負壓的最終確定

根據礦井服務年限，考慮到海拔高度影響及風機能力富余量，最終經計算的風機所需風量及負壓為：Q=115.5 m3/s，容易時期負壓Hmin=1 157.03 Pa，困難時期負壓Hmax=1 558.33 Pa。

根據以上計算，選用FBCDZ-8-№26B-2×355型煤礦地面用防爆抽出式對旋軸流通風機兩臺，風量范圍66～190 m2/s，靜壓范圍254～3 820 Pa，配套電機功率2×355 kW。

4.2.2 風機工況點的確定

礦井通風網絡阻力系數[2]：

礦井在容易時期和困難時期通風網絡特性曲線方程分別為[5]：

選用2臺FBCDZ-8-№26B-2×355型對旋軸流式風機，采用變頻頻率為40 Hz，用描點法在風機的性能曲線圖上繪出容易與困難時期的網絡特性曲線，即得工況點M1、M2兩點，見下頁圖1，風機工況點如下：

M1點：QM1＝126.7 m3/s，HM1＝1 392.3 Pa，ηM1＝76%，葉片安裝角度49°/41°。

M2點：QM2＝119.0 m3/s，HM2＝1 654.2 Pa，ηM2＝82%，葉片安裝角度49°/41°。

圖1 FBCDZ-8-№26B型頻率40 Hz風機特性曲線圖

FBCDZ-8-№26B-2×355型風機電機功率N：

式中：K為電動機容量系數，取1.15；ηc為傳動效率，取0.98。

根據以上計算，選用YBF系列8極隔爆電動機，其功率2×355 kW，轉速n=740 r/min，電壓10 kV。

最大設計風量和負壓的工況點輪葉安裝角度比設備允許范圍小5°，工況點風壓小于風機性能曲線最大風壓的90%，滿足規范要求，通風機處于穩定運行區，效率不低于60%，符合要求。

5 結論

1）根據對口前煤礦礦井通風系統現狀的分析及方案比選，確定了總回風巷改造設計采用施工工期短且工程經濟的方案Ⅰ。

2）選用2臺FBCDZ-8-№26B-2×355型對旋軸流式風機，可以滿足通風功率的要求，通過礦井通防的優化設計，滿足了工作面的痛風需求，為礦井安全生產奠定了堅實的基礎。